Tema 01A Amplificadores

8/18/2019 Tema 01A Amplificadores

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Tema 1A Amplificadores

Prof. A. Roldán Aranda

1º Ing. Informática


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§ Introducción

§Equivalente de Thevenin de un amplificador

Ø Definición de impedancia de entrada y salida

§Respuesta en frecuencia de un amplificador §Amplificadores realimentados

Ø Realimentación positiva y negativa

Ø El amplificador diferencial ideal realimentado

Conceptos generales de amplificación


3/45

Elect rón ica de

comun icac iones

Tipos de electrónica - I

ElectrónicaAnalógica


4/45

Tipos de electrónica - II

ElectrónicaD ig i ta l

InstrumentaciónElectrónica,

Bioelectrónica...


5/45

Tipos de electrónica - III

Elect rónica deDisposi t iv os y

Microe lect rón ica

A

B

Elect r ón ica dePotenc ia


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Objetivo: Manejar y extraer in formación presente en una magnitud eléctrica

Señal con informaciónSensor, Antena,etc.

CircuitoAnalógico

ü Amplificar ü Filtrar ü Aislar ü Normalizar ü Conversiones (v/v, V/i, i/v, v/f, f/v,....)ü Captura de pico

ü .....

V

tEJEMPLO:

Tratamiento Analógico

Señal AM(Débil, antena)

VSVE

Altavoz(Señal Fuerte)

ELEMENTO CLAVEEN ELECTRÓNICA

ANALÓGICA:

AMPLIFICADORELECTRÓNICO

Introducción


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Objetivo: Manejar y extraer in formación presente en una magnitud eléctrica

vol

Power

Amp

ker out in microphone amplifier loudspeaSound Sound Response Gain Response=

ker microphone amplifier loudspeaTransferFunction Response Gain Response=

Introducción: Ejemplo Sonido


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Tecnología: es el conjunto de habilidades que permiten construir objetos y

máquinas para adaptar el medio y satisfacer nuestras necesidades.

Etimología:Es una palabra de origen griego, !"#%'%(%), formada por tekne (!"#*,"arte, técnica u oficio") y logos ('%(%), "conjunto de saberes").

Aunque hay muchas tecnologías muy diferentes entre sí, es frecuente usar el

término en singular para referirse a una cualquiera de ellas o al conjunto de todas.

Cuando se lo escribe con mayúscula, TECNOLOGÍA puede referirse:

•Disciplina teórica que estudia los saberes comunes a todas lastecnologías

•Educación tecnológica, la disciplina abocada a la familiarización con lastecnologías más importantes.

DEFINICIÓN: Tecnología


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La actividad tecnológica influye en el progreso social y económico, pero también haproducido el deterioro de nuestro entorno (biosfera).

Las tecnologías pueden ser usadas para proteger el medio ambiente y para evitarque las crecientes necesidades provoquen un agotamiento o degradación de losrecursos materiales y energéticos de nuestro planeta.

Evitar estos males es tarea no sólo de los gobiernos, sino de todos.

Se requiere para ello una buena enseñanza-aprendizaje de la tecnología en losestudios de enseñanza media o secundaria y más aun en la UNIVERSIDAD y buenadifusión de:

• La historia.

• Los problemas.• Diagnósticos.• Propuestas de solución en cada momento de la evolución.

Implicaciones de la Tecnología


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V

tContinua

V

t

Senoidal

V

tArbitraria

La tensión (VE) o la corriente (IE) de entrada a un amplificador puede tener una

forma cualquiera.

REPRESENTACIÓNEN EL TIEMPO

El teorema de Fourier indica:"Cualquier señal eléctrica podemos descomponerla en nivel de continua

más una suma de señales senoidales”

Si podemos determinar como se comporta un amplificador ante continua ysenoidales de cualquier frecuencia, podemos determinar como se comporta ante

cualquier señal.

Formas de Onda


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Modelo Ideal

Ø Un amplificador se modela por ganancia G en:

ü Tensión: vo=Gv vi

ü Corriente: io=Gi ii

ü Potencia: Po=GP Pi

vi vo=Gvv i


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V

tContinua

V

t

Senoidal

V

tArbitraria

REPRESENTACIÓNEN EL TIEMPO

REPRESENTACIÓNEN FRECUENCIA

(ESPECTRO)

V

f

ContinuaDC

V

f

Senoidalf1

V

f

Arbitraria

f1 f2DC

En el mundo de la Electrónica Analógica, las representaciones en frecuencia son

mucho más cómodas (p.e. Música, comunicaciones, etc.).

En una primera aproximación supondremos que la entrada al amplificador essenoidal de una frecuencia genérica.

Formas de Onda en t vs. f

FOURIER


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IDEAS BÁSICAS DE AMPLIFICACIÓN

AMPLIFICADOR

+

-US

+

-UE

¿Que es un amplificador?

Dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal.(En nuestro caso eléctrica: V o I)

Fuente de señal(Información)

Carga

RL

Objetivo ideal

PE = 0 y PS = +

La información en la fuente de señal puede estar presente en forma de:

• Tensión (VE)

• Corriente (IE)

A la salida (en la carga), la información se puede entregar (con mayor potenciacon mayor potencia) pero

en forma de:Ø Tensión (VS)

Ø Corriente (IS)


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Corriente (IS) Amplificador de Corriente (I/I)Corriente (IE)

Tensión (US) Amplificador de Trans-resistencia (V/I)Corriente (IE)

Corriente (IS) Amplificador de Trans-conductancia (I/V)Tensión (UE)

Tensión (US) Amplificador de tensión (V/V)Tensión (UE)

Información de SalidaTipo de AmplificadorInformación de Entrada

TIPOS DE AMPLIFICADORES


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TIPOS DE AMPLIFICADORES

UE+

-

US

+

-

+

A UE

RL

Carga

RE = RS = 0

A = ganancia de tensión

AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN

UE

+

-

+

G UE

RL

Carga

RE = RS = G = ganancia de transconductancia

AMPLIFICADOR IDEAL DETRANSCONDUCTANCIA

IS

IEAI IE

RL

Carga

RE = 0 RS =

AI = ganancia de corriente

AMPLIFICADOR IDEAL DE CORRIENTE

IS

IE

RE = 0 RS = 0R = ganancia de transresistencia

AMPLIFICADOR IDEALDE TRANSRESISTENCIA

US

+

-

+

R IE

RL

Carga


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Amplificador ideal de tensión

UE

+

-

US

+

-

+

A UE

RL

Carga

A = ganancia de tensión

Características del amplificador ideal de tensión:

• No consume corriente en la entrada

• La tensión de salida no depende de la carga

• La ganancia de tensión A es constante e independiente de la frecuencia


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Calcula la ganancia de TENSIÓN, CORRIENTE y POTENCIA ?

Ejemplo de Amplificador - I

CD vol

Ø Un amplificador HI-FI amplifica un tono sinusoidal de amplitud 1V sobre 600Ω a 100Wsobre un altavoz de 8Ω de impedancia (que podemos asumir como resistiva pura).

±1 V pico

100 W Power Amp

8Ω

CD600R

600R 8R

Power Amp

CD player

600 Ω


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ü Ganancia en Tensión:

40

40100.8.222

,

,

,

2

,

==

===⇒=

peak i

peak o

v

oo peak o

o

peak oo

v

vG

P Rv R

v P

3000600.5

6001 8

100.2

,

2

,

, =====

i

peak i

o

o

peak i

peak oi

R

v

R P

i

iG

000,120

600.21

100

2

2

,

====

i

peak i

o

i

o P

R

V

P

P

P G

En dB:dB

P

P G

i

o P 8.50log10 10 =

=

iv P GGG = NB:

ü Ganancia en Corriente y Potencia:2

2

I R P =

Ejemplo de Amplificador - II

¿De dóndesale el 2 ?


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Equivalente de Thevenin de un amplificador real

Admitiendo excitación senoidal y aunque el amplificador es un circuito complejo

(transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc) podemos caracterizarel amplificador con ayuda de tres elementos:

• Dos imp edancias ( Imp edancia de entrada R E ó R IN y de salida R S ó R OUT )

• Una ganancia (de tens ión en vació o de corr iente en cor toc ircui to)

El conjunto de estos parámetros permite obtener un equ iv alen te eléct ri cosenci l lo del amplificador (EQUIVALENTE THEVENIN).

UE

+

-

US

+

-

+

A VERE

RS


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Arquitectura Interior de un amplificador real

El amplificador es un circuito complejo (transistores, diodos, resistencias,condensadores, etc) pero podemos caracterizarlo con ayuda de tres elementos:

• R IN• R OUT • AV


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Equivalente de Thevenin de un amplificador real -I

IMPEDANCIA DE ENTRADAIMPEDANCIA DE ENTRADA (RE)

UE

+

-

RE

IE

E

E E IN

I

U R R ==

Si la entrada es en tensión, nos interesa:

RE = + (La mas grande posible)

Si la entrada es corriente, nos interesa:

IE = 0 (Lo mas pequeña posible)


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(VS)O.C

+

-

+

A · UE

Tensión de vacío proporcional a la entrada

A = Ganancia de tensión en vacío

Equivalente de Thevenin de un amplificador real -II

Ganancia de TensiGanancia de Tensióón enn enCircuito Abierto (Circuito Abierto (O.CO.C.).)

UE

+

-

RE

IE

SALIDAENTRADA


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(US)O.C.

+

-

(IS)S.C

..

.

)()(

C S S

C OS S

I U R =

Mide la capacidad de entregar potencia del amplificador .

Si la salida es en tensión, nos interesará RS = 0 (pequeña)

VS

+

-

+

A UE

ZS Representación para unequivalente de salida entensión

Equivalente de Thevenin del amplificador real -III

IMPEDANCIA DE SALIDAIMPEDANCIA DE SALIDA

Qué nos interesará Si la salida es en CORRIENTE


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Respuesta en frecuencia de un amplificador - I

En todo amplificador aparecen elementos reactivos (condensadores, inductancias,

etc). Unos introducidos por nosotros para realizar una cierta función (p.e. eliminarcontinua, filtrar, etc) y otros muchos parásitos (inductancia de cables, capacidadesparásitas de uniones PN, etc)

DIAGRAMA DE BODE: la representación de la variación de ganancia de unamplificador con la frecuencia (módulo y argumento)

|A| = MÓDULO = Relación de amplitudes

= ARGUMENTO = Desfase VE

VS

Relación de amplitudes(MÓDULO)

θ

Desfase(ARGUMENTO)

A


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10

1

Ganancia

f

90º

0º

Desfase

f

-90º

Normalmente la escala de frecuencias es logarítmica

-2 -1 0 1 2 3 4 [log f]

[f]0.01 0.1 1 10 100 1K 10K

Notar que la frecuencia 0 (DC-continua) en una escala

logarítmica está en -+

DÉCADA

La Ganancia se representa también habitualmente en unaescala logarítmica especial (dB = Decibelios)

[ ][ ][ ]ω j A Abs AU U dB

E

S log20log20log20 =⋅=⋅=

Respuesta en frecuencia de un amplificador - II

DIAGRAMA DE BODEDIAGRAMA DE BODE


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Ingeniero Americano:• (24 December 1905 – 21 June 1982)• Madison, Wisconsin.

• Trabajó en los Bell Labs de New York City• He began his career as designer of electronic filters andequalizers.

• In 1929, he was assigned to the Mathematical Research Group.• Sponsored by Bell Laboratories he reentered graduate school, this time at

Columbia University, and he successfully completed his Ph.D. in physics in 1935.• In 1938 he developed his asymptotic phase and magnitude plots

• Bode Plots enabled engineers to investigate time domain stability using thefrequency domain concepts of gain and phase margin, the study of which wasaided by his now famous plots.

Hendrik Wade Bode

Padre de BODEPadre de BODE PlotsPlots


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Hendrik Wade Bode

Lista de PATENTESLista de PATENTES


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LogLinearPlot20 Log10, Abs1!"1 1!"I !##$$, %!, 0.01, 100&$

0.1 1 10 100

30

20

10

0

Ejemplo MATHEMATICA - BODE


In[12]:= LogLinearPlot Arg1 !"1 1 !"I !##$! ", %!, 0.01, 100&$

Out[12]=

0.1 1 10 100

20

40

60

80


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In[10]:= hfuncs $ :# 1 !"1 1 !"I !##;

LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI !$$$, %!, 0.01, 100&, PlotLabel $ SequenceForm "Bode Plot for ", hfuncs$$$

Out[11]=

0.1 1 10 100

30

20

10

0

Bode Plot for 1

1 !

"




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In[14]:= LogLinearPlot20 Log10, AbshfuncI !$$$, %!, 0.01, 100&,

PlotRange $ %&40, 40&,

Axes $ False,Frame $ True,

FrameLabel $ %"!!RC", "dB"&,

RotateLabel $ False,

GridLines $ Automatic,

PlotStyle $ AbsoluteThickness3$,

AspectRatio $ 0.3,

ImageSize $ 800$

Out[14]=

0.01 0.1 1 10 10040

20

0

20

40

"RC

dB




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In[17]:= LogLinearPlot% Arg1!"1 1 !"I !##$! "&, %!, 0.01, 100&,

PlotRange $ %90, 0&,

Axes $ False,

Frame $ True,

FrameLabel$ %"!!RC", "dB"&,

RotateLabel$ False,

GridLines $ Automatic,

PlotStyle $ AbsoluteThickness3$,

AspectRatio $ 0.3,

ImageSize $ 800$

Out[17]=

0.01 0.1 1 10 1000

20

40

60

80

"RC

dB




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PlotRange$ %&40, 40&,

Axes $ False,

Frame $ True,

FrameLabel$ %"!!RC", "dB"&,

RotateLabel$ False,

GridLines$ Automatic,

PlotStyle$ % AbsoluteThickness3$, RGBColor1, 0, 0$&,

AspectRatio$ 0.3,

ImageSize$ 800$

Out[24]=

0.01 0.1 1 10 10040

20

0

20

40

"RC

dB




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PlotRange$ %&40, 40&,

Axes $ False,

Frame $ True,FrameLabel $ %%"dB", Amplitud &, %"!!RC", Frecuencia&&,

RotateLabel$ True,

GridLines$ Automatic,

PlotStyle$ % AbsoluteThickness3$, RGBColor1, 0, 0$&,

AspectRatio$ 0.3,

ImageSize$ 800$

Out[28]=

0.01 0.1 1 10 10040

20

0

20

40

"RC

d B

Frecuencia

A m p l i t u d




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Respuesta en frecuencia de un amplificador

Si la potencia se entrega sobre cargas iguales:

A = Punto donde se mide la ganancia respecto de B

B = Punto referencia del circuito

Definición de ganancia de potencia en decibelios (dB) :

( )B

A10P P

Plog10dB A ⋅=

⋅=

B

A10 V

Vlog20

2

B

A10 V

Vlog10

⋅=

LOAD

2B

LOAD

2 A

10

RV

RV

log10 ⋅=( )B

A10P P

Plog10dB A ⋅=

Definición de ganancia de tensión en dB:

( )

⋅=B

A10u V

Vlog20dB A

COMENTARIOSCOMENTARIOS dBdB


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Se cumplen las siguientes relaciones:

Amplificadores realimentados - I

AVE VS

βVR

-

VC=VE -VR

VR = VS · β

VS = VC · AV = ( VE- VR ) · AV

VS = ( VE - VS · β ) · AV è VS = VE ·AV

1 + AV · β

Ganancia del amplificador realimentado

S A

L I DA

E N T R A

D A

RE-ALIMENTACIÓN


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Tipos de realimentación:

VS = VE ·

A

1 + A · β

Ganancia de lazo

• Realimentación negativa : A ·β > 0

• Realimen tación posit iva: A ·β < 0

Caso particular: A · β = -1 ( ¡ realimentación crítica !)

Ganancia del sistema realimentado infinita:

à Aunque se tenga VE = 0, puede haber señal de salida

Amplificadores realimentados - II


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AVE VS

βVR

-

VE -VR

Por ejemplo:A > 0 y β > 0

Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:

VS , è VR , è VE -VR - è VS -

La realimentación tiende a compensar las perturbaciones de la salida

Amplificadores realimentados - III

Realimentación negativa: A · β > 0


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AVE VS

βVR

-

VE -VR

Por ejemplo:A > 0 y β < 0

Si por cualquier perturbación la salida se incrementa:

VS , è VR - è VE -VR , è VS ,

La realimentación tiende a ampl i f icar las perturbaciones de la salida.

Amplificadores realimentados - IV

Realimentación Positiva: A · β < 0


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Ejemplo de realimentación negativa: A · β > 0

VE

Motor DC

Tacómetro

Amplificadores realimentados - V


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VE

Motor DC

Tacómetro

F r e n

o

-

Referencia

Error

Amplificadores realimentados - VI


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Motor DC

Tacómetro

F r e n

o

-

Referencia

VE

Error

La realimentación negativa tiende a compensarlas variaciones de la salida.

Amplificadores realimentados - VII


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Motor+

cargareferencia Velocidadde giro

Tacómetro+ circuitería

-


Este sistema equivale a:

Amplificadores realimentados - VIII


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Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0

Motor DC

Tacómetro

F r e n o

-

Referencia

-1

Amplificadores realimentados - IX


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Ejemplo de realimentación positiva: A · β > 0

Motor DC

Tacómetro

F r e n o

-

Referencia

-1

error -

La realimentación positiva tiende a aumentarlas variaciones de la salida (se para o se acelera).

Amplificadores realimentados - X


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Referencias Utilizadas

Material de ELECTRÓNICA Y AUTOMATISMOS de 2º Curso deInstalaciones Electromecánicas Mineras del Profesor: Javier Ribas Bueno

Material de Signals and Systems del Professor Dr. Andy Harvey de laHeriot Watt University de

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